A*STAR-onderzoekers hebben theoretische berekeningen uitgevoerd om uit te leggen waarom halfgeleidermicrosferen ingebed met metalen nanodeeltjes zo goed zijn in het gebruik van zonlicht om reacties te katalyseren.

Fotokatalysatoren versnellen chemische reacties door licht van de zon te absorberen en de energie te gebruiken om reacties op hun oppervlak aan te sturen. Ze zijn aantrekkelijk voor milieuvriendelijke toepassingen zoals het opwekken van waterstof uit water en het afbreken van vervuilende stoffen. Experimentele studies hebben aangetoond dat microsferen gemaakt van metaaloxidehalfgeleiders en ingebed met metalen nanodeeltjes bijzonder effectieve fotokatalysatoren zijn, maar onderzoekers zijn onzeker over waarom dit het geval was.

Nutsvoorzieningen, Ping Bai en zijn collega's van het A*STAR Institute of High Performance Computing in Singapore hebben computersimulaties uitgevoerd die onthullen waarom deze structuren zulke effectieve fotokatalysatoren zijn. Hun studie biedt wetenschappers ook nuttige richtlijnen voor het ontwerpen van plasmonische fotokatalysatoren.

Bai en zijn collega's gebruikten een veelgebruikte computationele techniek die bekend staat als de eindige-elementenmethode om te analyseren hoe licht interageert met een halfgeleidermicrodeeltje dat een enkel metalen nanodeeltje bevat. Hun analyse onthulde dat het brekingsindexverschil tussen de halfgeleider en het katalytische medium een ​​interferentiepatroon in het halfgeleidermicrodeeltje veroorzaakt. Deze interferentie verbetert de lichtabsorptie van de ingebedde metalen nanodeeltjes als gevolg van plasmonresonantie (zie afbeelding).

Als gevolg hiervan, de microsferen met ingebedde metalen nanodeeltjes sturen chemische reacties aan door zonne-energie veel efficiënter te benutten dan andere veelgebruikte fotokatalysatorstructuren. "De verbetering van de breedbandabsorptie bestaat overal in de microsferen, " legt Bai uit, "en de maximale verbetering kan honderd keer groter zijn dan die van metalen nanodeeltjes of fotokatalysatoren met een kleine kern." Dit verklaart hun superieure katalytische snelheden gemeten in eerdere experimenten.

Naast het verklaren van eerdere experimentele bevindingen, de analyse kan ook worden gebruikt om het ontwerp van fotokatalysatoren te informeren. Vooral, het suggereert dat het gebruik van halfgeleiders met hogere brekingsindices de breedbandabsorptie die door de interferentie wordt veroorzaakt, zal maximaliseren, terwijl het gebruik van een mix van verschillende plasmonische nanodeeltjes flexibele energiewinning en verbeterde selectiviteit mogelijk maakt. Eindelijk, de bevindingen impliceren ook dat het lokaliseren van de metalen nanodeeltjes dicht bij de oppervlakken van de microsferen de katalytische snelheid zal verhogen als gevolg van het zeer korte bereik van het nabije veld van het plasmon.

Bai en zijn team proberen nu hun krachten te bundelen met anderen die in het veld werken. "Onze volgende stap is het zoeken naar eindgebruikers en experimentele medewerkers om te ontwerpen, het optimaliseren en fabriceren van bepaalde fotokatalysatoren, ' zegt Bai.